粉煤灰掺量及聚丙烯纤维对泡沫混凝土性能的影响

石 川 陈 阳

（广东省建设工程质量安全检测总站有限公司第五检测部）

0 引言

泡沫混凝土因其本身多孔的结构具有保温隔热、隔音和抗震等优良性能[1-3]，但由于其强度低、干燥收缩大，制约了其在墙体材料领域的应用。粉煤灰含有部分轻质空心微珠、较水泥轻，其本身具有一定的潜在火山灰活性，在降低成本的同时还可改善泡沫混凝土的保温性能和轻质性能，同时可以改善泡沫混凝土的孔结构以及孔分布[4-6]。聚丙烯纤维本身质轻，且具有强度高、弹性好、耐热和耐腐蚀性能，能有效地提高轻质泡沫混凝土的综合性能[7-8]。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 水泥

由于泡沫混凝土本身强度不足，为了保证成型的泡沫混凝土具有一定的强度和可研究性，采用较高强度等级的水泥是有必要的。本研究中采用P.II42.5 水泥，基本性能见表1。

表1 水泥的基本性能

1.1.2 粉煤灰

粉煤灰主要含二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化铁(Fe2O3)，晶体矿物有莫来石、α-石英、方解石、钙长石、硅酸钙、赤铁矿和磁铁矿等以及少量未燃的碳，主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3、MnO2等，此外还有P2O5等。

本研究采用II 级灰，其技术指标见表2。

表2 粉煤灰技术指标

1.1.3 发泡剂

泡沫混凝土具有优异的保温隔热性能，最主要取决于其内部均匀大小的气孔，气孔主要是发泡剂在通过外界作用下引入空气产生大量泡沫后待浆体硬化后形成的。要想形成细致均匀的气孔，泡沫应尽量细小、均匀、稳定，因此选用发泡剂的质量应稳定有保障。

蛋白质类发泡剂较植物类发泡剂具有发泡倍数高、泡沫质量稳定等优点，本研究采用河南华泰公司生产蛋白质类发泡剂：棕褐色液体，微臭。

1.1.4 减水剂

减水剂是一种高分子表面活性剂。加入混凝土拌合物后对水泥颗粒有分散作用，能改善其工作性，减少单位用水量，改善混凝土拌合物的流动性。

本研究中采用固含量为32.77%的萘系减水剂。

1.2 仪器设备

1.2.1 发泡机

发泡机（图1）技术参数见表3。

表3 发泡机的主要技术参数

图1 发泡机实物图

1.2.2 其它设备

电子万能试验机；30L 搅拌机；电子秤；直尺；烧杯；游标卡尺；烘箱；砂浆搅拌机等。

1.3 试样制备

本研究采用0.4 水灰比、萘系减水剂掺量1.0%：①将发泡剂与水按1：15 稀释，搅拌均匀制得发泡液备用；②将粉料（以及纤维材料）加入搅拌机，搅拌2～3min，混合均匀，加入水和外加剂，继续搅拌2～3min，制得水泥浆体；③将准备好发泡液注入发泡机中制备所需泡沫；④将泡沫通过发泡管直接泵入正在搅拌的浆体中，搅拌（5～6）min，待泡沫与水泥浆混合均匀后，将带有泡沫的水泥浆体灌入模具中。

静置2h 后，刮平试件表面，随后在室温下养护48h拆模，拆模后立即送入温度（20±5）℃、湿度65%～90%的养护室养护至龄期。

2 结果与分析

2.1 粉煤灰对泡沫混凝土力学性能的影响

粉煤灰作为工业废弃物用于泡沫混凝土有利于资源回收利用和环境保护，也可适当降低泡沫混凝土的成本。此外，粉煤灰具有滚珠效应与火山灰效应，很多研究表明，粉煤灰部分取代水泥后，水泥浆体的流动性、强度、收缩等都得到了改善。实验设计见表4；粉煤灰对泡沫混凝土性能的影响如图2 所示。

从表4 可以看出，泡沫混凝土的干密度随粉煤灰掺量的增加而降低，这主要是因为粉煤灰的密度小于水泥的密度，等质量取代时会降低试件的干密度。因此，可选用部分粉煤灰取代水泥以满足其轻质的特性。

表4 粉煤灰对泡沫混凝土力学性能的影响

图2 粉煤灰掺量对泡沫混凝土性能的影响

从图2a 可以看到：随着粉煤灰掺量增加，泡沫混凝土质量吸水率先减小后增大；粉煤灰掺量30%时，质量吸水率达到最低值21.89%，与未掺粉煤灰时质量吸水率21.65%基本接近，掺量低于30%时，质量吸水率减小，速率缓慢；高于30%的掺量以后，质量吸水率剧增，这是由于粉煤灰掺量增加，水泥用量减少，粉煤灰的活性在短期内尚未发挥，所形成的硬化石结构较疏松，大泡孔比例增加，中孔减少，大孔的增加会使泡孔之间的连通性增加，导致吸水率增加。

从图2b 和2c 可以看出，与基准泡沫混凝土相比，粉煤灰掺量较低时（低于30%），泡沫混凝土的气孔率略有增加，其3d、14d 和28d 强度也略有降低；粉煤灰掺量为30%的气孔率和强度与基准混凝土相当。随着粉煤灰掺量进一步增加气孔率呈大幅上升趋势， 3d、14d 和28d 强度也有较大幅度降低。这是由于粉煤灰的掺入，水泥用量降低，其水化产物量相对减少，且粉煤灰的二次水化反应较慢，在28d 龄期时水化程度小；而粉煤灰掺量为30%时，由于粉煤灰具有滚珠效应，呈球状的粉煤灰颗粒部分替代水泥后与不规则的水泥颗粒之间形成较佳紧密堆积，浆料的流动性较好，泡沫在混凝土内部分散均匀，在很大程度上提高了泡沫混凝土的抗压强度；较低掺量时粉煤灰的滚珠效应不明显。同时，从图2可以看出，同一配合比的泡沫混凝土，其3d 和14d 强度基本相当，28d 强度增加20%左右，泡沫混凝土在3d 时基本上可以到达强度的70%左右，3d 到14d 的水化反应缓慢，14d 到28d 因为水化的继续进行使得强度增长20%左右，剩余的强度贡献全部在28d 以后，占10%左右。

2.2 聚丙烯纤维对泡沫混凝土性能的影响

因具备大量封闭的气孔，具有良好保温隔热性能的泡沫混凝土常用作建筑物墙体保温隔热材料。但同样因为气孔，泡沫混凝土强度低、收缩大、易开裂吸水。而纤维具有增强、阻裂和增韧的作用。向泡沫混凝土中加入聚丙烯纤维，可以改善其柔韧性，显著降低泡沫混凝土混凝土的脆性，提高其抗折强度及抗渗性和热工性能。纤维用在墙体保温材料中具有较好的效果。

在泡沫混凝土中采用纤维是否也能起到较好的改性作用，本研究采用聚丙烯纤维来改进泡沫混凝土，考察了纤维对泡沫混凝土物理力学性能的影响。泡沫混凝土中粉煤灰掺量30%，聚丙烯纤维按体积百分比掺入0.3%，试验结果见表5，其收缩见图3。

表5 聚丙烯纤维实验配合比

图3 泡沫混凝土的收缩

从表5 可以看出，未掺聚丙烯纤维的泡沫混凝土28d 强度为2.31MPa，掺入聚丙烯纤维后28d 强度达2.83MPa，强度提高了22.5%。这是因为纤维的加入使得毛细孔降低，浆体内部更加致密；另外纤维可以承载泡沫混凝土内部的载荷。然而纤维的加入增加了连通孔的数量导致吸水率略有升高，孔隙率没有太大的变化。

从图3 可以看出，未掺纤维的泡沫混凝土14d 收缩为2.021mm/m，28d 收 缩 为2.500mm/m，60d 收 缩 为2.666mm/m；掺有纤维的泡沫混凝土14d 收缩为2.042mm/m，28d 收 缩 为 2.396mm/m，60d 收 缩 为2.562mm/m。无论是掺有纤维还是未掺纤维，泡沫混凝土的收缩主要集中在前28 天，占60 天收缩量的90%以上；前14 天掺有纤维和未掺纤维的泡沫混凝土收缩基本接近；28d 时掺有纤维的泡沫混凝土收缩小于未掺纤维的泡沫混凝土，最终收缩掺有纤维的泡沫混凝土比未掺纤维的小6.9%。纤维的掺入使得泡沫混凝土的收缩趋于平缓、均匀。

泡沫混凝土主要原材料是水泥，没有集料，其收缩主要是化学收缩、自收缩以及干燥收缩。水泥的水化在早期比较集中，前一个月可以达到70%以上。纤维的加入，一方面作为柔性材料对泡沫混凝土基质部分做了改性，即改进了材料的弹性模量；另一方面在收缩较大的地方起到缓冲作用。由此可以看出，纤维可以增加强度，也可改善收缩，其改善收缩的原因可能是纤维的加入使得基质材料的弹性模量得到了提高，收缩得到了改善。

3 结论

⑴粉煤灰的掺入可以有效提高泡沫混凝土的质量，改善吸水率、降低气孔率、稳定强度，最佳掺量为30%。

⑵聚丙烯纤维能有效改善泡沫混凝土的综合性能：掺量0.3%时，泡沫混凝土28d 强度提高22.5%，28d 收缩降低3.9%，孔隙率略有降低。